Análise teórico-experimental do fenômeno de Geyser Boiling em termossifões bifásicos fechados

Abstract

Um termossifão bifásico fechado é um dispositivo de troca térmica, que emprega a mudança de fase como o mecanismo de transferência de calor. Eles são considerados sistemas passivos, uma vez que sua operação depende principalmente da diferença de temperatura entre as seções do evaporador e do condensador. Portanto, entender o seu funcionamento é de vital importância para prever limitações no seu desempenho. Os limites operacionais desses dispositivos surgem a partir da interação entre os fluxos em contracorrente do vapor e do líquido. Os principais limites reportados para esse dispositivo são os limites de arrasto, sônico, viscoso e de ebulição. A literatura mais recente tende a classificar o Geyser Boiling como um limite operacional. Embora esse fenômeno não impeça a transferência de calor, ele diminui a eficiência térmica do dispositivo, produzindo vibrações que podem danificá-lo. Os primeiros estudos sobre termossifões bifásicos fechados descreveram uma súbita ebulição que fez com que vapor e líquido fossem expelidos violentamente para o condensador, semelhante a um Geyser. Observou-se ainda que esse fenômeno é transitório e ocorre principalmente em baixos fluxos de calor, tendendo a desaparecer para maiores fluxos de calor. Vários estudos concentraram sua atenção na compreensão de como a razão de enchimento, o ângulo de inclinação, a geometria e outros parâmetros de projeto influenciariam esse fenômeno. Contudo, a natureza intermitente do fenômeno dificulta tal entendimento. Por outro lado, a necessidade da dissipação térmica de muitos dispositivos compactos fez com que se observasse a tecnologia de termossifões como uma alternativa viável. Não obstante a constante miniaturização desses dispositivos gerou a necessidade de produzir termossifões cada vez menores. Isto leva a um confinamento parcial do fluido de trabalho na seção do evaporador, quando os termossifões são de pequeno diâmetro, intensificando os eventos de Geyser Boiling. Neste trabalho, entende-se que o Geyser Boiling é um regime de escoamento multifásico, característico dos termossifões bifásicos. Quando o fluido de trabalho é considerado confinado, esse fenômeno se apresentará permanentemente, mesmo para altos fluxos de calor. Com a ajuda de uma bancada de visualização, foi descrita a fenomenologia envolvida na formação do Geyser Boiling. Fenômenos físicos, até agora desconsiderados, foram relatados. Uma câmera de alta velocidade foi empregada para estudar esses eventos e, como resultado, a definição clássica de Geyser Boiling em termossifões foi contestada. A partir das observações, uma análise teórica sobre esse fenômeno foi proposta e adicionalmente, o efeito do confinamento no Geyser Boiling foi estudado. Para esse propósito, quatro termossifões bifásicos fechados de cobre-água com diferentes diâmetros foram testados em uma segunda bancada experimental. Assim, o Geyser Boiling foi estudado considerando as seguintes variáveis: diâmetro do tubo, relação de enchimento, fluxo de calor imposto e temperatura do condensador. Um critério para diferençar o regime de Geyser Boiling foi proposto.

Abstract: Two-phase closed thermosyphons are heat exchange devices which employ phase-change as its main heat transfer mechanism. They are considered passive systems as their operation depends mainly on the temperature difference between the evaporator and condenser sections. Despite these equipment?s advantages, understanding their operation is vital to predict performance limitations. Operational limits arise from the iteration between the vapor and liquid counter-flows. The main limits are: the entrainment, sonic, viscous and boiling limits. More recent literature tends to classify the Geyser Boiling as an operational limit. Although this phenomenon does not prevent heat transfer, it decreases the device?s thermal efficiency and produces vibrations that can damage it. Early studies on two-phase closed thermosyphons described a sudden ebullition which caused vapor and liquid to be violently expelled into the condenser, similarly to a Geyser. It was further observed that this phenomenon is transient and happens mainly for low heat fluxes, tending to disappear as the heat flux increases. Several studies focused their attention on understanding how the filling ratio, the angle of inclination, geometry and other design parameters influenced this phenomenon. However, the phenomenon?s strong transient nature of the made difficult to properly understand it. The need for heat dissipation in many compact devices made the thermosyphon technology a viable alternative. However, the constant miniaturization of these devices has generated the need to produce increasingly smaller thermosyphons. This leads to partial confinement of the working fluid in the evaporator section, when the thermosyphons present small diameters, which intensifies the events of Geyser Boiling. In this work, it is understood that Geyser Boiling is a multiphase flow regime, characteristic of thermosyphons. When the working fluid is considered confined, this phenomenon will present itself permanently, even for high heat fluxes. With help from a visualization bench, the phenomenology of the Geyser Boiling formation of was described. Physical phenomena, so far disregarded, have been reported. A high-speed camera was employed to study these events and as a result, the classic definition of Geyser Boiling in thermosyphons is disputed. From the observations, a theoretical analysis about this phenomenon was proposed. Additionally the effect of the confinement on the Geyser Boiling was studied. For this purpose, four copper-water two-phase closed thermosyphons with different diameters were tested on a second experimental bench. Thus, the Geyser Boiling was studied through the following variables: tube diameter, filling ratio, imposed heat flux and condenser temperature. A criterion to differentiate the regime of Geyser Boiling was proposed.